CN102192705B - 非接触式复合扫描测量*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式复合扫描测量***，其包括点激光器、柱面透镜、双面反射镜、数字相机、目镜及反射镜，其中，所述数字相机和目镜自上向下平行安装，其二者的安装中心线大致重合，所述点激光器发出的光线经双面反射镜的第一表面反射至被测物体，被测物体发出的光线经反射镜反射至双面反射镜的第二表面后通过目镜进入数字相机。相较于现有技术，本发明型具有如下优点：结构简单，操作方便快捷，不损伤物体表面；可实现多种非接触式测量；在同一个坐标***中测量，测量数据精确，多种测量方式所得数据可以统一在同一个坐标系中。

Description

非接触式复合扫描测量***
【技术领域】
本发明涉及高精度的测量设备，更具体地说是一种非接触式复合扫描测量***。
【背景技术】
三维精密测量常用的设备是使用三坐标测量机，其使用的测量部件是探针，属于接触式的部件，该种接触式的部件对于软性材料的被测物体无能为力，并且对于被测物体拥有的复杂曲面的数据获取效率非常低下。
为了解决这一难题，市场上也出现了非接触式的测量设备，如三维激光扫描仪，但是该设备所测量的数据精度不高，并且该设备对被测物体的边界也显得无能为力。如果使用三坐标测量机或者三维激光扫描仪来获取物体轮廓，再利用测量边界的设备(如影像式测量仪)来测量物体的边界，由于多次测量的仪器并不是一个仪器，则所测物体的三维坐标值难以统一。
鉴于以上弊端，实有必要研发一种新的非接触式复合扫描测量***以克服上述缺陷。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种能实现物体三维数据的多种测量，并将多种测量的数据高精度的统一在一个坐标***中的非接触式复合扫描测量***。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种非接触式复合扫描测量***，其包括点激光器、双面反射镜、数字相机、目镜及反射镜，其中，所述数字相机和目镜自上向下平行安装，其二者的安装中心线大致重合，所述点激光器发出的光线经双面反射镜的第一表面反射至被测物体，被测物体发出的光线经反射镜反射至双面反射镜的第二表面后通过目镜进入数字相机。
优先的是，所述非接触式复合扫描测量***设有切换装置和柱面透镜。
优先的是，所述非接触式复合扫描测量***还设有切换装置和高倍率物镜，所述切换装置可使得点激光器、柱面透镜、双面反射镜及反射镜不参与测量。
相较于现有技术，本发明具有如下优点：
1.结构简单，操作方便；
2.在同一个坐标***中测量，多种测量方式所得数据可以统一在一个坐标系中，测量速度快捷；
3.测量所得的数据精度高。
【附图说明】
图1是非接触式复合扫描测量***的结构原理示意图；
图2是本发明处于点激光精密测量的原理示意图；
图3是本发明处于点激光精密测量的光路等效图；
图4是本发明采用的三角法测量原理图；
图5是本发明处于线激光高速扫描的原理示意图；
图6是本发明处于线激光高速扫描的光路等效图；
图7是本发明处于影像测量的原理示意图。
【具体实施方式】
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
请参考图1所示，图1为非接触式复合扫描测量***的结构原理示意图。非接触式复合扫描测量***100，其包括高倍率物镜10、点激光器20、柱面凹透镜30、双面反射镜40、数字相机50、目镜60、反射镜70以及一套切换装置(未图示)，其中点激光器20产生的点激光经过双面反射镜40之后所反射的方向和目镜60的光轴线重合。该切换装置根据工作需求，切换其中的组件，从而达到不同的工作状态。下述是所描述的三种工作状态。
请参考图2所示，图2是该***处于点激光高精密测量工作状态。点激光精密测量与探针测量的操作类似，需要说明的是，探针头部一般为球型，为了准确测量物体的三维数据值，需要正对着物体的被测表面，而点激光无此现象，可以不正对着物体的测量表面；但是为了使用探针式测量的程序以及操作的习惯性，一般正对着物体的被测量表面。该种工作状态的光路如图2所示，点激光器20发出的点状激光，到达双面反射镜40反射后正对着被测物体90，然后经过反射镜70到达双面反射镜40的另一面，最后经过目镜30到达数字相机50。此时切换装置将移开柱面凹透镜30和高倍率物镜10，该图2中带箭头的线代表点激光的飞行路线。而数字相机50和目镜60，则通过一组双面反射镜40和反射镜70，镜像到图中的第二数字相机50’和第二目镜60’的位置，其等效光路图为图3所示。
通过三角法测量原理，便可以精确测量物体的三维数据。三角法测量的原理如图4所示：尺寸L为激光照射到被测物体90表面的距离，此时的激光刚好被反射在数字相机50的靶面的中心。a为激光与第二目镜60，光轴线的夹角，即设计安装的角度。当被测物体90处于位置L’时，则计算过程如下：
激光在数字相机50中的成像偏移的靶面中心dX，图中dX’与dX是成正比的，设K＝dX’/dX，即K为放大比例。则L’＝L+dX’/sin(a)＝L+K*dX/sin(a)。
图5是该***处于线激光高速扫描测量的工作状态，即三维激光扫描工作状态。其工作的光路如图5所示。点激光器20发出的点状激光，经过柱面凹透镜30变成线激光，然后到达双面反射镜40，被反射后照射到被测物体90，然后经过反射镜70到达双面反射镜40的另一面，最后经过目镜60到达数字相机50。此时切换装置将移开高倍率物镜10。该图5中带箭头的线代表激光的飞行路线。与图2相似的是，数字相机50和目镜60，通过一组双面反射镜40和反射镜70，镜像到图5中的第三数字相机51’和第三目镜61’的位置，其等效光路图为图6。该状态同样利用了三角测量法的原理，不同的是，点激光通过柱面凹透镜30后，变成了光刀，在物体上形成了一道激光线，从而达到高速扫描被测物体的三维曲面的目的，相对于传统的探针式扫描，极大的提高了效率，并且不存在划伤物体表面的现象。
图7是该***处于影像式高精密测量工作状态。影像测量是根据镜头的放大比例，通过人工或计算机来识别物体的边界轮廓，来达到测量的目的。此时切换装置将移开双面反射镜40，同时激光器20关闭。其工作的光路如图7所示：被测物体的边界轮廓，通过高倍率物镜10，到达目镜60，最后到达数字相机50。然而影像式测量只能获取物体的平面外形，对于高度信息，则需要通过自动聚焦来获得。自动聚焦的原理为：当物体处于焦距位置时，其成像最清晰，这时候，相邻像素的差值之和最大。
为了让坐标***一起来，我们必须使用同一个标定器来确定不同状态下的内部参数值。可以采用如下所述的过程：设标定平面垂直于Z轴，点激光垂直照射到标定平面。由于在上述工作状态中，点激光经过双面反射镜40后，与镜头的光轴线重合，则上述工作状态中的XY坐标是统一的，其偏差在于二者之间的重合度，实际应用中，可以通过微调装置，达到很高的重合精度。那么我们需要校正的是：Z轴方向上的坐标统一，即点激光测量状态(或线激光扫描状态)时图4中的L与影像测量时的焦距之间的距离。首先，将***切换到点激光测量状态，调整***与校正块之间的距离，使得点激光成像在数字相机的靶面的中心。记下坐标值。然后切换到影像测量状态，调整***与校正块之间的距离，在校正块上的点阵成像比较清晰时，再根据自动聚焦原理，由程序来自动聚焦，以达到最佳的聚焦位置，记下坐标值；则二者之间的坐标差，即为补偿量。以点激光测量状态下为基准，影像测量时，其高度信息要加上这个补偿量，就可以统一Z轴的坐标。
本发明非接触式复合扫描测量***在上述不同的工作状态，由于处于同一个测量机上，无需多次装夹被测物体的情况，不存在多次装夹定位等误差；同时由于多种测量手段有机的结合在一起，形成了一个整体，可以使用同一个标定器，来标定该***的不同工作状态的内部参数。综上所述，各状态下测量的数据就可以高度统一在一个坐标系中。经过多次实验证明，可达微米级的精度；由于被测物体无需多次装夹，并且高速扫描与高精度测量均根据需要进行选择，极大的提高了工作效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种非接触式复合扫描测量***，其包括点激光器、双面反射镜、第一数字相机、第一目镜及反射镜、柱面凹透镜和高倍率物镜，其特征在于：所述第一数字相机和第一目镜自上向下平行安装，其二者的安装中心线大致重合，所述点激光器发出的光线经双面反射镜的第一表面反射至被测物体，被测物体发出的光线经反射镜反射至双面反射镜的第二表面后通过第一目镜进入第一数字相机；包括三种工作状态：第一、点激光高精密测量工作状态，点激光器发出的点状激光，到达双面反射镜反射后正对着被测物体，然后经过反射镜到达双面反射镜的另一面，最后经过第一目镜到达第一数字相机；此时切换装置将移开柱面凹透镜和高倍率物镜；而第一数字相机和第一目镜，则通过一组双面反射镜和反射镜，镜像到第二数字相机和第二目镜的位置；第二、线激光高速扫描测量的工作状态，点激光器发出的点状激光，经过柱面凹透镜变成线激光，然后到达双面反射镜，被反射后照射到被测物体，然后经过反射镜到达双面反射镜的另一面，最后经过第一目镜到达第一数字相机；此时切换装置将移开高倍率物镜；第一数字相机和第一目镜，通过一组双面反射镜和反射镜，镜像到第三数字相机和第三目镜的位置；第三、影像式高精密测量工作状态，影像测量是根据镜头的放大比例，通过人工或计算机来识别物体的边界轮廓，来达到测量的目的；此时切换装置将移开双面反射镜，同时激光器关闭；被测物体的边界轮廓，通过高倍率物镜，到达第一目镜，最后到达第一数字相机；然而影像式测量只能获取物体的平面外形，对于高度信息，则需要通过自动聚焦来获得；自动聚焦的原理为：当物体处于焦距位置时，其成像最清晰，这时候，相邻像素的差值之和最大。
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